Мультикоптеры с управлением Infineon – от игрушек до профессиональных инструментов

24 июля 2018

системы безопасностиуправление питаниемуправление двигателемпотребительская электроникаавтоматизацияинтернет вещейInfineonстатьяинтегральные микросхемыбеспроводные технологиидискретные полупроводникисредства разработки и материалы

Спектр применения мультикоптеров – от простой съемки местности с воздуха до поставок товаров и предметов первой необходимости. Процесс их активного внедрения сопровождается усиленными мерами госрегулирования, ведь полеты мультикоптеров должны проходить в безопасных и контролируемых условиях. Компания Infineon предлагает решение для управления мультикоптером на основе собственной элементной базы.

В то время как профессиональные авиаконструкторы уделяли большое внимание решению аэродинамических и механических задач, быстрое развитие микроэлектроники на основе МЭМС было сосредоточено на проектировании электронной системы управления мультикоптером. Использование модели электронного управления позволяет повышать аэродинамическую устойчивость, совершенствовать летные характеристики и маневренность.

Мультикоптеры обеспечивают новые возможности для беспилотных летательных аппаратов. С коммерческой точки зрения, наибольший интерес представляет бортовая видеокамера, которая позволяет реализовать функцию «следуй за мной» и автономную навигацию.

Стремительное развитие этой технологии сопровождается столь же оперативными изменениями законодательных норм и правил применения. Многие страны, включая США, Германию и Великобританию, ограничивают места и возможности запуска мультикоптеров, а также определяют требования по их использованию и лицензированию, особенно для тех, кто планирует использовать мультикоптеры для коммерческой доставки мелких грузов.

Законодательство в значительной степени определяет развитие технологии. Никому не нужны мультикоптеры, падающие с неба или сталкивающиеся с высотными зданиями, линиями электропередач или, самое страшное, с воздушными авиалайнерами. Первоочередное внимание уделяется системам питания, управления двигателями, датчикам и видеокамерам, способным обеспечить длительный, безопасный и контролируемый полет.

Оперативные системные решения

На рисунке 1 представлены основные электронные блоки профессионального мультикоптера. Основная разница между игрушечными и профессиональными дронами заключается в надежности системы управления. Профессиональный мультикоптер, помимо способности выполнять трюки, должен нести на борту полезную нагрузку, например, систему машинного зрения, которая предполагает обработку видеоданных, управление камерой и выполнение иных функций, интегрированных в систему управления.

Рис. 1. Обзор основных электронных систем типового мультикоптера

Рис. 1. Обзор основных электронных систем типового мультикоптера

Одним из наиболее простых, быстрых и безопасных вариантов создания типовой системы управления мультикоптера является использование преимуществ векторного управления (Field Oriented Control, FOC). Примером такой комплексной системы является представленная на рисунке 2 демонстрационная плата мультикоптера производства Infineon, имеющая систему управления XMC4500 и контроллер двигателя iMOTION™. Платы управления электродвигателями подключаются к разъемам основной платы и могут легко меняться. Таким образом, становится возможным быстрое сравнение производительности различных двигателей и вариантов FOC.

Рис. 2. Оценочная плата мультикоптерной системы

Рис. 2. Оценочная плата мультикоптерной системы

Ядром такой системы является 32-разрядный микроконтроллер для управления полетом XMC4500 на базе ARM® Cortex™-M4. Для легкого запуска проектов эта демо-версия работает на ПО с открытым исходным кодом Cleanflight, содержащим достаточно полный набор инструментария.

Используя демонстрационную плату, можно реализовать 6- или 9-осевые режимы отслеживания движения, а стандартные интерфейсы и разъемы инерциального измерительного модуля (ИИМ) дают разработчикам комфортное ощущение работы с уже знакомыми системами. Благодаря применению демонстрационной платы XMC4500 и платформы DAVE™ для программирования микроконтроллера сроки разработки проекта и стоимость могут быть сокращены сразу на 30%. Кроме того, во время полета микросхемы OPTIGA™ Trust B или OPTIGA™ Trust X для двунаправленной аутентификации с использованием асимметричного шифрования на основе эллиптических кривых обеспечивают аппаратную аутентификацию.

Значения высоты с высокой точностью и высоким разрешением измеряются датчиком давления DPS310. Радарная система, работающая на частоте 24 ГГц может использоваться для управления мультикоптером, а также для измерения скорости приближения и перемещения окружающих объектов. Прокладывание маршрута следования обеспечивает встроенная система GPS.

Микроконтроллер XMC1400 формирует основу системы управления с обратной связью для работы видеокамеры, бортовых угловых датчиков и привода двигателей, что значительно упрощает разработку профессиональных систем воздушного наблюдения.

Управление двигателем и питанием

Точная регулировка каждого двигателя в мультикоптере с четырьмя, шестью или большим количеством воздушных винтов абсолютно необходима для того чтобы контролировать высоту, направление и скорость воздушного аппарата. При этом конструкция не должна быть избыточной, особенно в мультикоптерах с малым количеством несущих винтов, а управление двигателем должно быть достаточно эффективным для обеспечения высоких летных характеристик.

Бесщеточными электродвигателями постоянного тока можно управлять с помощью трапециевидной, синусоидальной или векторной (FOC) коммутации. FOC – это метод математического векторного управления двигателями переменного тока и бесщеточными моделями постоянного тока. Ключевой вехой в развитии мультикоптеров стало использование крупными производителями векторных систем управления. Бессенсорная технология FOC, особенно для высокоскоростных двигателей, достаточно сложна в реализации. Однако FOC способствует повышению КПД и снижению пульсаций крутящего момента/вибраций, что имеет решающее значение для функционирования видеокамеры. Компания Infineon предлагает три концепции для управления FOC, представленные в таблице 1.

Таблица 1. Обзор систем Infineon для управления двигателем

Наименование IFX-XMC (МК) IFX-IRMCK (ASIC) IFX-Auto
Алгоритм BLC/FoC FoC BLC/FoC
Контроллер ARM-M0 XMC1302 ASIC IRMCK099 ARM-M3 TLE9879
Драйвер Внешний IR2301S Интегрированный силовой модуль Интегрированный (МК)
Инвертор 3 полумоста (BSC0925ND) 3 силовых модуля (IR3472) 3 полумоста (BSC0925ND)
Оценка позиции Напряжение/ток (двойной шунт) Ток (один шунт) Ток (один шунт)

В зависимости от степени гибкости программирования, используются три основных варианта:

  • универсальная система;
  • специализированные микросхемы (ASIC) с драйверами на дискретных компонентах и мощными транзисторами в полумостовой схеме (или мощные выходные каскады с интегрированными драйверами);
  • семейство TLE987x с интегральными драйверами и полумостовыми транзисторными сборками.

По сравнению с системами на основе XMC1302, типовые решения на базе IRMCK и TLE предлагают специализированное оборудование и ПО для прецизионного векторного (FOC) управления. Эти демонстрационные платы подходят для дронов Infineon Larix.

На рисунке 3 представлена блок-схема высокоэффективной системы FOC, применяемой ведущими производителями мультикоптеров. Специализированная микросхема IRMCK099 содержит адаптивную систему Tiny Motion Control Engine (TinyMCE) для бессенсорного управления электродвигателями с высокой динамикой и крутящим моментом во всем диапазоне скоростей, сочетающую ПО и аппаратную реализацию от Infineon. Простой в использовании контроллер электродвигателя iMOTION™ позволяет операторам с небольшим опытом управления быстро научиться пилотированию.

Рис. 3. Высокоэффективная система управления мультикоптера с использованием FOC

Рис. 3. Высокоэффективная система управления мультикоптера с использованием FOC

У компании Infineon есть два варианта векторного управления на базе IRMCK099 и TLE987x с интегрированными драйверами.

Определение ключевых компонентов алгоритмов управления, таких как оценка угла, возложено на выделенные блоки управления. Специализированная микросхема обработки сигнала заменяет большинство внешних компонентов, в том числе аналого-цифровой преобразователь, аналоговые усилители, компаратор превышения тока, сторожевой таймер и внутренний тактовый генератор, что снижает полетный вес и упрощает схему. Команды изменения скорости могут поступать через вход UART, входы частоты и напряжения (VSP), или являться параметрами рабочего цикла.

Если требуется повышенная степень гибкости и интеграции, следует обратить внимание на семейство TLE987x, в котором Infineon объединил богатый опыт создания автомобильных управляющих драйверов со всеми преимуществами стандартного ядра МК (рисунок 4). Данное семейство предлагает масштабируемую Flash-память, а микроконтроллер с высокой рабочей частотой ядра поддерживает широкий спектр алгоритмов управления двигателем, как с датчиками, так и без датчиков.

Рис. 4. Типовое решение Infineon TLE987x включает LDO, МК и выполнено по автомобильным стандартам Infineon

Рис. 4. Типовое решение Infineon TLE987x включает LDO, МК и выполнено по автомобильным стандартам Infineon

Новое семейство ИМС Infineon Embedded Power поддерживает полный набор инструментов разработки от Infineon и сторонних поставщиков. Комплект инструментов включает в себя компилятор, отладчик, оценочную плату, драйвер низкого уровня LIN и инструмент настройки, а также пример программного кода для Motor Control. При использовании полумостового OptiMOS™ (два транзистора в одном корпусе, например, BSC0925) возможно применение электронной системы регулирования скорости. Сборки силовых транзисторов для IRMC099 (силовые транзисторы и управляющие драйверы в одном корпусе) являются эффективными решениями с минимальным количеством внешних компонентов.

Выпущенная впервые в отрасли по автомобильным стандартам и технологии Infineon Smart Power 130 нм встроенная система питания на кристалле демонстрирует непревзойденный уровень интеграции, соотношения системной производительности и затрат.

Датчики и видеонаблюдение

С расширением коммерческого использования мультикоптеров и появлением дорогих моделей реальностью стали полеты дронов за пределами видимости. Возможность измерения высоты и обнаружения объектов на пути или близко к траектории полета важна для профессиональных мультикоптеров.

Обнаружение объектов становится все более востребованной задачей. Радиолокационные системы в автомобилях помогают поддерживать расстояние до едущего впереди транспортного средства. Разработчики стремятся использовать эту стандартную и надежную технологию для того чтобы обеспечить простую в реализации систему в сложных профессиональных мультикоптерах.

Хотя частота 24 ГГц имеет ограниченное пространственное разрешение, она уже применятся в системах обхода препятствий и контроля скорости приземления. Первые шаги в использовании радиолокационной технологии поможет сделать демонстрационный набор (рисунок 5), включающий:

  • самый миниатюрный из популярных наборов для разработки в диапазоне ISM 24 ГГц;
  • BGT24MTR11 – монолитную СВЧ ИМС на 24 ГГц повышенной степени интеграции;
  • XMC4200 ARM® Cortex®-M4 – 32-битный промышленных микроконтроллер;
  • отладку с 10-контактным разъемом Cortex®;
  • наличие режима пониженного энергопотребления;
  • интегрированную печатную антенну.

Рис. 5. Радарный демо-комплект на 24 ГГц

Рис. 5. Радарный демо-комплект на 24 ГГц

Как и на всех летательных аппаратах, сочетание датчиков и расширенные методы фильтрации играют важную роль в реализации надежного блока управления ориентацией Cleanflight, обрабатывающего все измеренные сигналы от IMU (инерционное измерительное устройство), датчика давления DPS310, радаров и других датчиков. Благодаря совместимости Cleanflight с демо-платой мультикоптера Infineon Larix доступна и простая в использовании платформа для анализа системы.

Проблемы безопасности

Относительно новой концепцией является энергетическая безопасность. Неразрешенные к применению или неоригинальные аккумуляторные батареи могут подвергать опасности сами мультикоптеры, а также причинить ущерб имуществу и вред оператору или посторонним лицам. Современные требования к профессиональным мультикоптерам предусматривают интеллектуальную систему управления питанием, гарантирующую эксплуатацию БПЛА только с подходящими аккумуляторами. Компания Infineon предлагает популярное решение ORIGA™ для проверки подлинности аккумуляторных батарей.

Заключение

Дроны являются перспективной технологией с широким спектром использования: от состязаний в скорости, проводимых с использованием систем FPV (First Person View) до доставок грузов и наблюдения за удаленными объектами. Компания Infineon поставляет более 50 компонентов для создания мультикоптеров. По мере того как мультикоптеры завоевывают рынок, эти компоненты, используемые совместно с соответствующими типовыми проектами и инструментами отладки, позволяют ускоренно проектировать, разрабатывать и развертывать системы, удовлетворяющие профессиональных пользователей.

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее

Товары
Наименование
XMC4500F100K1024ACXQSA1 (INFIN)
TLE9871QXA20XUMA2 (INFIN)
IRMCK099M (INFIN)
BSC0925ND (INFIN)
BGT24MTR11BOARDTOBO1 (INFIN)
XMC4200-F64F256AB (INFIN)
XMC1302T016X0032ABXUMA1 (INFIN)
TLE9879QXA20XUMA2 (INFIN)
IR2301SPBF (INFIN)
IR3473MPBF (INFIN)